JP4428648B2 - 液体金属冷却炉用熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、液体金属冷却炉用熱交換器に関する。さらに詳述すると、本発明は、ループ型の液体金属冷却炉に適した熱交換器に関するものである。なお、本明細書において「熱交換器」には、蒸気発生器、過熱器、蒸発器、凝縮器をも含んでいる。

高速増殖炉（ＦＢＲ）では通常、冷却材に液体ナトリウムを用いているが、ナトリウムは水に対して化学的に活性であるため、冷却系統を１次〜３次の冷却系に分割している。即ち、１次冷却系と２次冷却系に液体ナトリウムを使用し、３次冷却系に水／蒸気を使用している。炉心を冷却する１次冷却系と発電用タービンを駆動する３次冷却系との間に２次冷却系を設け、１次冷却系と２次冷却系に液体ナトリウムを使用し、３次冷却系に水／蒸気を使用することで、炉心を冷却して放射化された液体ナトリウム（１次冷却系）と水／蒸気（３次冷却系）との接触の可能性を無くして安全性の確保を図っている。

高速増殖炉にとって、２次冷却系の存在は、軽水炉に比較して建設コストの増加を招く原因となる。このため、２次冷却系を省略したいとの要請があり、種々の検討が行われている。例えば、液体ナトリウムと水／蒸気との間で熱交換を行う蒸気発生器（ＳＧ）を、液体ナトリウムと水との接触を完全に防止する構造にできれば２次冷却系の省略が可能である。

かかる構造の蒸気発生器として、二重管式蒸気発生器が知られている。二重管式蒸気発生器では伝熱管の一本一本を二重管で構成しており、二重管のどちらか一方のバウンダリ（管壁）が破れたとしても、伝熱管（二重管）の外側を流れる液体ナトリウムと、伝熱管内の二重の流路のうち内側の流路を流れる水／蒸気とが接触しないようにしている。伝熱管内の二重の流路のうち外側の流路にはヘリウムガスが流れており、ヘリウムガス中の水分や液体ナトリウム中のヘリウムを検出することでバウンダリが破れたことを早期に検出し、原子炉の運転を停止させるようにしている。

安成弘著「高速増殖炉」同文書院、昭和５７年１０月５日、９６−９７頁 二重管蒸気発生器の開発・試験研究（１）全体研究計画、久保田他４名、日本原子力学会「１９９３春の年会」、Ｆ５１、京都大学

しかしながら、二重管式蒸気発生器は大きなものであり、たとえ２次冷却系を省略できたとしても原子炉全体をさほど小型化することができず、建設コストを大きく減らすことはできない。

ところで、非常にコンパクトに設計できる熱交換器として、プレートフィン熱交換器（ＰＦＳＧ）がある。図９にプレートフィン熱交換器の熱交換部の概念を示す。プレートフィン熱交換器は波状のフィン１０１をろう付けした仕切板１０２を介して２系統以上の流体の熱交換を行うもので、通常は別系統の流体流路が交互に積層されている。高速増殖炉にプレートフィン熱交換器を適用することができれば、非常にコンパクトな熱交換部を構成することができる。しかし、フィン１０１と仕切板１０２との接合部のような微少な隙間は二相流部が流れる場合には腐食誘起物が堆積する可能性があり、高い信頼性が要求される高速増殖炉用の蒸気発生器として採用することは困難である。

本発明は、小型化が可能で信頼性が高い液体金属冷却炉用熱交換器を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、液体金属冷却材と冷却水との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器であって、液体金属冷却材の流路を有する板状の液体金属側ユニットと、冷却水が流れる伝熱管を並列に密着させて板状に纏めた水側ユニットと、不活性ガスの流路を有する板状のガス側ユニットと、液体金属側ユニットの流路に接続された液体金属入口ヘッダー及び液体金属出口ヘッダーと、水側ユニットの伝熱管に接続された給水ヘッダー及び排水ヘッダーと、ガス側ユニットの流路に接続されたガス流入ヘッダー及びガス排出ヘッダーを備え、水側ユニットは伝熱管を１層に並べて密着状態で加圧しながら加熱して接合したものであり、液体金属側ユニットと水側ユニットを、ガス側ユニットを挟んで交互に重ね密着させて熱交換器本体を構成し、各ヘッダーは熱交換器本体の外面に取り付けられており、液体金属側ユニットの給水ヘッダー又は排水ヘッダーに隣接する部分、及び水側ユニットの液体金属入口ヘッダー又は液体金属出口ヘッダーに隣接する部分には不活性ガスの流路を設けている。

したがって、液体金属側ユニットの流路を流れる液体金属冷却材と水側ユニットの伝熱管を流れる冷却水との間で熱交換が行われる。水側ユニットを構成する伝熱管は密着した状態で加圧・加熱されて接合され、表面の原子の拡散により境目なく一体化される。また、伝熱管内はもともと外部から画された独立の流路を構成している。これらのため、伝熱管内の冷却水は漏れにくく、且つ伝熱管内に液体金属冷却材が侵入しにくい構造である。さらに、液体金属冷却材と冷却水との間には不活性ガスの流路が設けられている。これらの結果、液体金属冷却材と冷却水を、伝熱管の管壁と不活性ガスの層という二重のバウンダリによって仕切ることができる。また、各ユニットを重ね合わせて密着させた熱交換器本体は、プレートフィン熱交換器と同様に堅牢で小型化に適した構造である。

また、請求項２記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、水側ユニットの伝熱管の材料は改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であることが好ましい。

また、請求項３記載の液体金属冷却炉用熱交換器は、液体金属側ユニットが液体金属冷却材の流路となる伝熱管を並列に１層に並べて密着状態で加圧しながら加熱して接合したものである。

液体金属側ユニットを構成する伝熱管は密着した状態で加圧・加熱されて接合され、表面の原子の拡散により境目なく一体化される。また、伝熱管内はもともと外部から画された独立の流路を構成している。これらのため、伝熱管内の液体金属冷却材は漏れにくく、且つ伝熱管内に冷却水が侵入しにくい構造である。即ち、冷却水と液体金属冷却材との間に、さらにもう一重のバウンダリを設けることができる。

また、請求項４記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、液体金属側ユニットの伝熱管の材料は改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であることが好ましい。

さらに、請求項５記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、冷却水が水側ユニットの伝熱管内で加熱されて蒸気に変化するようにしても良い。即ち、熱交換器としての蒸気発生器に適用しても良い。

しかして、請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器では、各ユニットを重ねて密着させているので、液体金属冷却材と冷却水との間で熱交換を効率良く行うことができると共に、熱交換器本体を小型化、堅牢化することができる。このため、熱交換器を小型化することができ、ひいては原子力発電プラントを小型化することができ、発電コストを下げることができて経済的である。また、水側ユニットは継ぎ目のない一体構造であり、しかも冷却水の流れの滞留を防いで腐食誘起物が体積し難い構造であり、また、液体金属冷却材と冷却水の間に不活性ガスの層を設けているので、熱交換器の安全性と信頼性を向上させることができる。

また、請求項２記載の液体金属冷却炉用熱交換器では、水側ユニットの伝熱管の材料が改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であるので、水側ユニットの伝熱管の伝熱性能、降伏応力、耐食性、高温強度を向上させることができると共に、製造コストの増加を抑えることができる。

また、請求項３記載の液体金属冷却炉用熱交換器では、水側ユニットに加えて、液体金属側ユニットも継ぎ目のない一体構造となるので、熱交換器の安全性と信頼性をより一層向上させることができる。

また、請求項４記載の液体金属冷却炉用熱交換器では、液体金属側ユニットの伝熱管の材料が改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であるので、液体金属側ユニットの伝熱管の伝熱性能、降伏応力、耐食性、高温強度を向上させることができると共に、製造コストの増加を抑えることができる。

さらに、請求項５記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、冷却水が水側ユニットの伝熱管内で加熱されて蒸気に変化するものであっても良い。即ち、熱交換器としての蒸気発生器に適用することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に、本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器の実施形態の一例を示す。この液体金属冷却炉用熱交換器（以下、単に熱交換器という）１は、液体金属冷却材２と冷却水３との間で熱交換を行うものであって、液体金属冷却材２の流路４を有する板状の液体金属側ユニット５と、冷却水３が流れる伝熱管６を並列に密着させて板状に纏めた水側ユニット７と、不活性ガス８の流路９を有する板状のガス側ユニット１０と、液体金属側ユニット５の流路４に接続された液体金属入口ヘッダー１１及び液体金属出口ヘッダー１２と、水側ユニット７の伝熱管６に接続された給水ヘッダー１３及び排水ヘッダー１４と、ガス側ユニット１０の流路９に接続されたガス流入ヘッダー１５及びガス排出ヘッダー１６を備え、水側ユニット７は伝熱管６を１層に並べて密着状態で加圧しながら加熱して接合したものであり、液体金属側ユニット５と水側ユニット７を、ガス側ユニット１０を挟んで交互に重ね密着させて熱交換器本体１７を構成し、各ヘッダー１１〜１６は熱交換器本体１７の外面に取り付けられており、液体金属側ユニット５の給水ヘッダー１３又は排水ヘッダー１４に隣接する部分、及び水側ユニット７の液体金属入口ヘッダー１１又は液体金属出口ヘッダー１２に隣接する部分には不活性ガス８の流路１８、１９が設けられている。各ユニット５、７、１０は別々に製造されて一体化される。

水側ユニット７は、伝熱管６として例えば横断面形状が矩形状を成す矩形管を使用しており、多数の伝熱管６を１列（１層）に並列に並べて一体化したもので、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing；熱間等方加圧法）加工によって一体化されている。

なお、本明細書では、部材同士の表面を密着させ、加圧しながら加熱して拡散接合し、部材同士の境目をなくして一体化する加工をＨＩＰ加工という。ＨＩＰ法は、例えばアルゴンなどの不活性ガスを圧力媒体とし、例えば１００ＭＰａ以上の圧力と１０００℃以上の温度との相乗効果を利用して加圧処理する方式である。高い等方圧力と高温により、鋳造、拡散接合に有効で信頼性のある成型加工が可能となる。例えばＳＵＳ材の場合、１０５０〜１１００℃の温度で２時間、１５０ＭＰａの圧力で加工する。また、圧力のかけ方は等方的であることが好ましいが、必ずしも等方的であることに限らない。例えば、互いに直交する３軸方向から圧力をかけるようにしても良く、この場合、３軸方向から同時に圧力をかけるようにしても良く、一の軸方向から圧力をかけることをその方向を変えて繰り返し行うようにしても良い。さらに、圧力を伝える媒体として不活性ガス等の気体を使用して等方的に圧力をかけることが好ましいが、圧力媒体として液体を使用しても良く、あるいは、圧力媒体として粉体等を使用しても良い。ＨＩＰ加工では、例えば材料の融点の７割程度の温度に加熱して加圧するので、特に加工品の端部に関して製作較差が悪化することがある。このため、機械加工を行い加工品の寸法を所定値にする。本実施形態では、図５（Ａ）に示すように、伝熱管６の列の周囲を板材２０で囲み、これらを一緒にＨＩＰ加工することで、ＨＩＰ加工後の仕上げしろを形成している。伝熱管６は、例えば横断面形状が矩形を成す矩形管であり、１列に並べて配置することで、管壁同士を密着させて板状のユニットにすることができる（図５（Ｂ））。

水側ユニット７の伝熱管６の材料は、例えば改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼（modified-9Cr1Mo）であることが好ましい。また、板材２０の材料も、例えば改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であることが好ましい。ただし、伝熱管６及び板材２０の材料を改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼以外のものにしても良い。この場合、安価なこと、伝熱性能、降伏応力、耐食性などの観点からフェライト系耐熱鋼の使用が好ましく、なかでもＣｒ−Ｍｏ鋼の使用が好ましく、さらになかでも９Ｃｒ１Ｍｏ鋼の使用が好ましく、その中でも高温強度に優れる上述の改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼の使用が特に好ましい。

また、本実施形態では、ＨＩＰ加工時に伝熱管６同士や板材との間の密着の度合いを上げるために、各部材の隙間を真空引きしている。また、ＨＩＰ加工時の加圧により伝熱管６が潰れてしまうのを防止するために、伝熱管６の外側と同様に内側も加圧している。

このようにＨＩＰ加工により一体化させた水側ユニット７を切削など機械加工して寸法出しを行う。また、図３に示すように、左右両側に位置する伝熱管６の上下の開口をカバー２１で塞ぐと共に、カバー２１の近傍の側面に孔２２を形成する。両側の伝熱管６には不活性ガス８が流され流路１９となる。左右両側の伝熱管６以外の伝熱管６には冷却水３が流される。

液体金属側ユニット５の内部空間には、液体金属冷却材２例えば液体ナトリウムを流す流路４と、不活性ガス８を流す流路１８が設けられている。不活性ガス８の流路１８は内部空間の上下両端に設けられており、各流路１８の間の広い空間が液体金属冷却材２の流路４となっている。液体金属側ユニット５の左右両側面の上下端近傍位置には、不活性ガス８の流路１８の開口となる孔２３が設けられている。また、液体金属側ユニット５の一側面の孔２３の隣には、液体金属冷却材２の流路４の開口となる孔２４，２５が設けられている。液体金属冷却材２の流路４内には流れを導く補助板３７が複数設けられており、上側の孔２４から流入した液体金属冷却材２の流れを下方に向けて曲げた後、更に下側の孔２５に向けて曲げている。このような流れにすることで、液体金属入口ヘッダー１１と液体金属出口ヘッダー１２の配置を可能にしている。即ち、水側ユニット７では伝熱管６を上下に開口させていることから、給水ヘッダー１３及び排水ヘッダー１４を熱交換器本体１７の上下に配置することになるが、液体金属冷却材２の流路４を液体金属側ユニット５の側面に開口させることで、液体金属入口ヘッダー１１と液体金属出口ヘッダー１２を給水ヘッダー１３及び排水ヘッダー１４とは干渉しない熱交換器本体１７の側面に配置させている。液体金属側ユニット５は、例えば板材の溶接や孔の機械加工等によって製造される。

なお、補助板３７は液体金属側ユニット５の内外圧に耐えるための補強材を兼ねている。水側ユニット７における矩形管（伝熱管）６の辺６ａは伝熱のためのフィンと内圧に対する支えとして機能しているが、ＦＢＲ（高速増殖炉）の液体金属冷却材２の圧力は一般に冷却水３の圧力よりも低圧に設計されており、液体金属側ユニット５に設ける補助板３７は、水側ユニット７の伝熱管６の辺６ａほどには数を要しない。

ガス側ユニット１０は、例えば伝熱性能に優れた金属製の波板（フィン）２６の周囲、即ち上下左右の面に板２７を溶接したものである。ただし、金属製の波板２６に代えて、例えば伝熱性能に優れ、ガス通気に優れたポーラス素材などの板の使用も考えられる。波板２６には図示しない多数の孔が設けられており、折り込み方向に垂直な方向にも不活性ガス８を流すことができる。即ち、波板２６の表面の近傍は不活性ガス８が縦横に流れる流路９となっている。波板２６の左右の側面に溶接された板２７の上下近傍位置には不活性ガス８の流路９の開口となる孔２８が形成されている。なお、各ユニット５、７、１０の不活性ガス８の流路１８、１９、９の開口となる孔２３、２２、２８は同じ高さの位置に設けられており、一直線状に並んでいる。

また、ガス側ユニット１０は、矩形管を並べることで波板２６と類似の構造とする製作法も可能である。この場合、波板２６を用いた場合に比べ、構造強度が高くなり、またロウ付けなどの製作時の精度が向上するため、製品の信頼性は向上すると考えられる。ただし、波板２６程の微細構造とすることは難しいため、大きさ、および熱交換性能の点で、波板２６に劣る可能性がある。

水側ユニット７と液体金属側ユニット５はガス側ユニット１０を挟んで交互に重ね合わされ、熱交換器本体１７が構成される。即ち、各ユニット５、７、１０を、例えば水側ユニット７、ガス側ユニット１０、液体金属側ユニット５、ガス側ユニット１０、水側ユニット７、…、の順番で必要枚数積層することで、熱交換器本体１７を構成している。各ユニット５、７、１０は、例えば銀ろう付けされている。即ち、ガス側ユニット１０の波板２６を水側ユニット７と液体金属側ユニット５に銀ろう付けすることで、各ユニット５、７、１０を一体化している。ただし、各ユニット５、７、１０を一体化する方法としては、銀ろう付けに限るものではない。また、図１では各ユニット５、７、１０を４枚積層しているが、積層する枚数は４枚に限るものではない。

給水ヘッダー１３及び排水ヘッダー１４は、例えば熱交換器本体１７の上面又は下面を覆うカバープレート１３ａ、１４ａと、カバープレート１３ａ、１４ａに設けられたポートの周囲に固着された接続管１３ｂ，１４ｂより構成されている。カバープレート１３ａ、１４ａの周縁は熱交換器本体１７の上面又は下面の周縁に溶接されており、冷却水３が給水ヘッダー１３→伝熱管６→排水ヘッダー１４へと流れるようになっている。

液体金属入口ヘッダー１１及び液体金属出口ヘッダー１２は、例えば熱交換器本体１７の積層方向の厚さとほぼ同じ寸法の長さを有し、液体金属側ユニット５の孔２４又は２５を覆うカバープレート１１ａ，１２ａと、カバープレート１１ａ，１２ａに設けられたポートの周囲に固着された接続管１１ｂ，１２ｂより構成されている。カバープレート１１ａ，１２ａの周縁は、熱交換器本体１７の側面に溶接されており、液体金属冷却材２が液体金属入口ヘッダー１１→液体金属側ユニット５内の流路４→液体金属出口ヘッダー１２へと流れるようになっている。

ガス流入ヘッダー１５及びガス排出ヘッダー１６は、例えば熱交換器本体１７の積層方向の厚さとほぼ同じ寸法の長さを有し、各ユニット５，７，１０の一側面の孔２３，２２，２８を覆うカバープレート１５ａ，１６ａと、カバープレート１５ａ，１６ａに設けられたポートの周囲に固着された接続管１５ｂ，１６ｂより構成されている。カバープレート１５ａ，１６ａの周縁は、熱交換器本体１７の側面に溶接されており、不活性ガス８がガス流入ヘッダー１５→ガス側ユニット１０内の流路９→ガス排出ヘッダー１６へと流れるようになっている。なお、熱交換器本体１７の各ヘッダー１５，１６とは反対側の側面には、ガス連通管４０，４０が各孔２３，２２，２８を覆うようにして溶接されている。

熱交換器本体１７は各ヘッダー１１〜１６とガス連通管４０が取り付けられた後に図示しないハウジング内に収納され、所定の場所に設置される。

この熱交換器１には、図示しない不活性ガス８の循環系統が接続されている。この不活性ガス８の循環系統（以下、ガス循環系統という）は、ガス流入ヘッダー１５に不活性ガス８を供給すると共に、ガス排出ヘッダー１６から排出された不活性ガス８を導いて循環させる。ガス循環系統の途中には、図示しない水分検出装置とナトリウムイオン、またはナトリウムベーパー検出系などの液体金属検出装置が設けられている。不活性ガス８の圧力は、冷却水３の圧力及び液体金属冷却材２の圧力よりも低くなっている。したがって、不活性ガス８と冷却水３又は液体金属冷却材２とを仕切る壁の一部に亀裂等が発生すると、冷却水３又は液体金属冷却材２は不活性ガス８の流路中に侵入し、その部分を起点に四方に広がり、さらにヘッダー１５，１６のうち近い方のヘッダーからガス循環系統に流出して水分検出装置又は液体金属検出装置に早期に到達する。このため、亀裂等の発生を迅速に発見することができる。

熱交換器本体１７は詳しくは後述するように小型であり、各ユニット５，７，１０内の不活性ガス８の流路の長さは短い。また、各ユニット５，７，１０の不活性ガス８の流路１８，１９，９は、それぞれ直接ヘッダー１５，１６に接続されている。これらのため、亀裂発生後あまり時間が経過しないうちに不活性ガス８中に洩れた水分や液体金属冷却材２が水分検出装置や液体金属検出装置に到達し、亀裂等の発生を素早く検出することができる。このため、原子炉の迅速な停止が可能であり、また、冷却水３や液体金属冷却材２の漏れを検出する検出パスが明快でシンプルであり信頼性に優れているので、安全に対する信頼性をより一層向上させることができる。

さらに、冷却材２や液体金属冷却材２の漏れを検出する検出パスが明快でシンプルであることは、信頼性の向上に加えて、一般公衆に向けて分かり易く受け入れ易いシステムとなることに結びつく。

この熱交換器１を設置したループ型高速増殖炉を図６に示す。この高速増殖炉の冷却系は１次（液体金属）と２次（水／蒸気）に分かれており、もんじゅ等で採用されている冷却系を１次〜３次に分割するタイプの高速増殖炉に対し、２次冷却系（液体金属）を省略したかたちとなっている。即ち、図６の高速増殖炉の冷却系は、液体金属冷却材２を冷却材とする１次冷却系と、冷却水３（水／蒸気）を冷却材とする２次冷却系から構成されている。

熱交換器１は、一次冷却系の液体金属冷却材２例えば液体ナトリウムの熱によって二次冷却系の冷却水３を沸騰させて蒸気を発生させる蒸気発生器である。原子炉容器２９内の炉心３０を冷却して高温になった液体金属冷却材２は、一次冷却系の配管３１によって原子炉容器２９→蒸気発生器１→ポンプ３２→原子炉容器２９へと循環される。また、二次冷却系の冷却水３は、二次冷却系の配管３３によって蒸気発生器１→発電用タービン３４→図示しない復水器→ポンプ３５→蒸気発生器１へと循環される。原子炉容器２９と蒸気発生器１はガードベッセル３６上に設置されている。

蒸気発生器１では、以下のようにして熱交換が行われる。炉心３０を冷却することで高温になった一次冷却系の液体金属冷却材２は液体金属入口ヘッダー１１に導かれ、ここから各液体金属側ユニット５内に分かれて流入する。そして、各液体金属側ユニット５内の流路４をほぼＵ字状に流れながら熱を液体金属側ユニット５の壁に伝えて冷やされる。各液体金属側ユニット５内で冷やされた液体金属冷却材２は液体金属出口ヘッダー１２に流出し、ここで一つの流れに纏められて原子炉容器２９へと循環される。また、液体金属側ユニット５の壁に伝えられた熱は、ガス側ユニット１０→水側ユニット７へと伝達される。各ユニット５、７、１０は密着した状態で銀ろう付けされているので、熱の伝達は良好である。

一方、二次冷却系の冷却水３は給水ヘッダー１３に導かれ、ここから各水側ユニット７内に分かれて流入する。給水ヘッダー１３から各水側ユニット７の各伝熱管６に分かれて流入した冷却水３は各伝熱管６内を上昇しながら伝熱管６の管壁を冷却し、これによって冷却水３は加熱されて蒸気となる。この蒸気は排水ヘッダー１４に流れ込み、ここで一つの流れに纏められて発電用タービン３４へと循環される。

この蒸気発生器１では、水側ユニット７の伝熱管６を密着させて並列に並べているので、伝熱管６の周壁のうち隣りの伝熱管６との境の部分６ａがフィンとして機能し、熱伝達を促進する。つまり、水側ユニット７は、冷却水３の流路の中の部分６ａがフィンとして機能するため、小型で熱交換性能に優れたプレートフィン熱交換器となる。このため、蒸気発生器１を小型化することができる。しかも、水側ユニット７の伝熱管６を１列（１層）に並べているので、２列以上に並べた場合に比べて、熱交換を効率良く行うことができる。このため、蒸気発生器１をより一層小型化することができる。蒸気発生器１を小型化できる結果、蒸気発生器１の製造コストを下げることができ、また、原子炉も小型化できてその製造コストも下げることができ、原子力発電プラントの発電コストを下げることができて経済的に優れている。

蒸気発生器１の水側ユニット７はＨＩＰ加工によって継ぎ目のない一体構造となっている。また、冷却水３が流れる伝熱管６は管でありもともと外部から画された独立の流路を構成している。これらのため、伝熱管６内の冷却水３と外部の液体金属冷却材２が接触し難い構造であり、安全性に優れている。また、冷却水３と液体金属冷却材２との間には必ず不活性ガス８の流路を形成しているので、伝熱管６はいわば二重管構造になり、冷却水３と液体金属冷却材２を二重のバウンダリによって画することができる。このため、冷却水３と液体金属冷却材２の接触防止をより一層確実にすることができ、安全に対する信頼性をより一層向上させることができる。

そして、冷却水３と液体金属冷却材２との接触を防止することができるので、もんじゅ等の１次〜３次の冷却系を有する高速増殖炉では必要であった二次の液体金属冷却系を省略することができる。即ち、本発明の蒸気発生器１を採用することで、１次冷却系（液体金属冷却系）と２次冷却系（水／蒸気系）との間で直接熱交換を行うことができ、原子炉プラントの単純化を図ることができる。このため、原子炉プラントの製造コストを下げることができて経済性をより一層向上させることができると共に、安全性をより一層向上させることができる。

また、蒸気発生器１の水側ユニット７はＨＩＰ加工によって継ぎ目のない一体構造となっており、製造工程で欠陥品になり難い構造である。また、水側ユニット７内の冷却水３の流路は伝熱管６で形成されており、冷却水３の滞留が発生し難く、腐食誘起物が堆積し難い構造である。これらのため、信頼性に優れ、高い信頼性が要求される原子炉への使用に適した蒸気発生器１を提供することができる。

この蒸気発生器１では、水側ユニット７と液体金属側ユニット５との間にガス側ユニット１０を介在させている。このため、水側ユニット７内の冷却水３と液体金属側ユニット５内の液体金属冷却材２が壁１枚を挟んで直接隣り合わせにならず、冷却水３と液体金属冷却材２との間に壁と不活性ガス８の層という２重のバウンダリを確保することができる。

また、水側ユニット７の左右両端の伝熱管６を不活性ガス８の流路１９にしている。このため、熱交換器本体１７に液体金属入口ヘッダー１１及び液体金属出口ヘッダー１２を取り付けても、水側ユニット７内の冷却水３と各ヘッダー１１，１２内の液体金属冷却材２とが伝熱管６の管壁のみを挟んで直接隣り合わせにならず、冷却水３と液体金属冷却材２との間に伝熱管６の管壁と不活性ガス８の層という２重のバウンダリを確保することができる。

さらに、液体金属側ユニット５の上下には不活性ガス８の流路１８が設けられている。このため、熱交換器本体１７に給水ヘッダー１３及び排水ヘッダー１４を取り付けても、金属側ユニット５内の液体金属冷却材２と各ヘッダー１３，１４内の冷却水３とが金属側ユニット５の壁１枚を挟んで直接隣り合わせにならず、液体金属冷却材２と冷却水３との間に液体金属側ユニット５の壁と不活性ガス８の層という２重のバウンダリを確保することができる。

つまり、冷却水３と液体金属冷却材２との間には全ての場所において２重のバウンダリを設けており、冷却水３と液体金属冷却材２との接触防止に対する信頼性をより一層向上させることができる。

また、ガス側ユニット１０を設けることでガス循環系統によって不活性ガス８中の水分や液体金属冷却材２を早期に検出することができ、冷却水３や液体金属冷却材２を仕切る壁に亀裂等が生じたことを迅速に検出することができるので、原子炉の運転を迅速に停止することが可能になる。

本発明の熱交換器１では、各ユニット５，７，１０の積層数を増減することで熱交換の能力を調整することができる。このため、熱交換器１の設計の自由度を向上させることができる。

また、本発明の熱交換器１では、水側ユニット７をＨＩＰ加工で形成すると共に、各ユニット５，７，１０を積層させる構造である。このため、熱交換器１本体が堅牢であり、上述したように冷却材２や液体金属冷却材２の漏れを迅速に検出することができることと相俟って、安全に対する信頼性をより一層向上させることができる。

ループ型高速増殖炉は、プール型高速増殖炉に比べて、原子炉容器２９を小型に設計できる、熱交換器１が冷却材プールの外にあるためメンテナンス性が良い、などの利点がある。ループ型高速増殖炉では原子炉建屋内に、原子炉容器２９とは別に熱交換器１が存在することになる。もんじゅ等で採用されている冷却系が１次〜３次（１次と２次の液体金属冷却系と、３次の水／蒸気系）に分割されているループ型高速増殖炉では、熱交換器として中間熱交換器と蒸気発生器が必要となり、原子炉建屋内には３種類の主要機器（原子炉容器、中間熱交換器、蒸気発生器）およびそれらを結ぶ配管が必要となる。このため、低コストの原子炉になるように設計し難い。これに対して、本発明の熱交換器（蒸気発生器）１を採用したループ型高速増殖炉では、二次液体金属冷却系を削除することができ、主要機器の１つである中間熱交換器を削除することができる。このため、非常に大きなコストダウンが期待できる。

また、本発明の熱交換器１では、単に、二次液体金属冷却系を削除するだけではなく、熱交換器（蒸気発生器）１自体を小型化することもできる。二次液体金属冷却系を削除しても熱交換器１が大型化したのでは、原子炉の経済性を必ずしも追求することはできない。また、原子炉容器２９や熱交換器１の下には液体金属冷却材２の漏洩を考慮したガードベッセル３６を設置する必要があることからも、熱交換器１の大型化は是非とも避けたい。本発明の熱交換器１は、二次液体金属冷却系の削除と共に小型化も可能にするので、原子炉を経済的なものにすることができる。

さらに、上述のように、冷却水３と液体金属冷却材（液体ナトリウム）２との接触防止に対する信頼性をより一層向上させることができるので、二次液体金属冷却系の削除に加え、ナトリウム水反応対策設備の削除も可能になり、原子炉の小型化と建設コストの削減をより一層きわだったものにすることができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、液体金属側ユニット５をＨＩＰ加工によって製造しても良い。液体金属側ユニット５では流路４の曲がりが必要となるので、伝熱管として円管を曲げたものを使用する。

図７にＨＩＰ加工した液体金属側ユニット５の概念を、図８に液体金属側ユニット５のＨＩＰ加工の概念をそれぞれ示す。各伝熱管３８を２枚の板材３９で挟むことで、液体金属側ユニット５についても上述の水側ユニット７と同様にＨＩＰ加工で製造することができる。なお、液体金属側ユニット５についても水側ユニット７と同様に、両側に位置する伝熱管３８を不活性ガス８の流路とすることで、冷却水３と液体金属冷却材２との間にさらにもう一重のバウンダリを形成することができる。

なお、液体金属側ユニット５の伝熱管３８の材料は、例えば改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であることが好ましい。また、板材３９の材料も、例えば改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であることが好ましい。ただし、伝熱管３８及び板材３９の材料を改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼以外のものにしても良い。この場合、安価なこと、伝熱性能、降伏応力、耐食性などの観点からフェライト系耐熱鋼の使用が好ましく、なかでもＣｒ−Ｍｏ鋼の使用が好ましく、さらになかでも９Ｃｒ１Ｍｏ鋼の使用が好ましく、その中でも高温強度に優れる上述の改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼の使用が特に好ましい。

また、円管を伝熱管として使用しＨＩＰ加工した板状ユニットを水側ユニット７とし、矩形管を伝熱管として使用しＨＩＰ加工した板状ユニットを液体金属側ユニット５とすることも可能である。即ち、円管をＨＩＰ加工したユニットと矩形管をＨＩＰ加工したユニットについて、中を流れる流体を入れ替えることも可能である。その場合、円管をＨＩＰ加工したユニットが水・蒸気系となって流路の曲がりを有し、矩形管をＨＩＰ加工したユニットが液体金属冷却系となって流路が直管となる。円管を蒸気管とする場合、円管内熱伝達、圧損式など、これまでの工学的知見を用いることが可能であるというメリットが生じる。

また、上述の説明では、蒸気を発生させる蒸気発生器を例に説明していたが、その他の熱交換器、過熱器等に適用しても良いことは勿論である。

また、上述の説明では、伝熱管６として横断面形状が矩形状のものを使用していたが、横断面形状が矩形状の伝熱管６に限るものではない。例えば、横断面形状が三角形の伝熱管６や六角形の伝熱管６等を使用しても良く、その他の形状の伝熱管６を使用しても良い。なお、横断面形状が三角形の伝熱管６を使用する場合には、三角形の底辺と頂点を上下互い違いに並べることが好ましい。

本発明の熱交換器１が小型化できることを確認するために設計を行った。小型炉用に設計した交換熱量１０ＭＷのヘリカルコイル型２重管蒸気発生器との比較結果を表１に示す。本発明の熱交換器１については、４つのケースについて設計を行った。なお、表１では、本発明の熱交換器１を新型ＳＧと記載した。

なお、上述のヘリカルコイル型２重管熱交換器（ＳＧ）の場合、長期に亘る継続運転を目標としているため、２重管ＳＧでありながら二次液体金属冷却系に設置されており、ナトリウム入口／出口温度は４７５℃／３１０℃での条件とした。また、水・蒸気系の条件は給水温度２１０℃、蒸気出口温度４５３℃、蒸気圧力１０．７ＭＰａとした。

ここで、「ＳＧサイズ」は、熱交換器本体１７の幅×積層厚さのサイズである。「伝熱高さ」は、熱交換器本体１７の高さである。「ガス層空隙率」は、ガス側ユニット１０の波板２６部分のポロシティで、例えば６０％の場合、その空間の容積中に４０％の構造材を考慮する（熱通過率を構造材の６割減と仮定する）ことを意味する。「容積」は、（ＳＧサイズ）×（伝熱高さ）である。

表１からも明らかなように、本発明の熱交換器１はいずれのケースもヘリカルコイル型２重管熱交換器に比較して非常にコンパクトに設計できることが分かった。これは、ヘリカルコイル型２重管熱交換器では最小巻き径以下に伝熱管を巻くことができず、巻いた伝熱管（コイル）の中央に無駄空間が存在すること、伝熱管をコイル状に巻いた場合には管と管の間にギャップがあるが、本発明の熱交換器１ではこの様なギャップが無く、いわば伝熱管６を束ねた様な形となるため、無駄な空間の発生を抑えることができること、などの理由によるものである。

このように本発明の熱交換器１はコンパクトであることに加え、冷却水３と液体金属冷却材２との間に少なくとも２重のバウンダリを持つ安全性の高い熱交換器であり、ループ型高速増殖炉の二次液体金属冷却系の削除を可能にすると共に、高速増殖炉の建設コストの低減にも有効である。

改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼によるＨＩＰ加工については、これまで知見がない。そこで、改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼製の水側ユニット７及び液体金属側ユニット５の成立性を確認するために、改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼を対象に矩形管のＨＩＰ接合試験を行った。実機と同様に矩形管４１を密着させて並べ、上下面を平板４２で、左右を角棒４３でそれぞれ挟み込む形状を模擬した模擬試験体の製作（図１０）および、引張り試験片の製作からなる。ＨＩＰ保持温度９００℃から１０５０℃の範囲の模擬試験体の製作では、以下の結果が得られ、その製作性が確認された。
（１）温度が上昇するにつれ、材料の境界面が不明瞭となり、接合性が向上する。
（２）９５０℃以上の温度では、矩形管外面角部が平面と接する部分に有意な空隙は見られず、矩形管と平面の良好な接合性が確認された。なお、ＨＩＰ保持温度１０５０℃の試験片の接合面の様子を図１１に示す。
（３）全ての試験体においても外面に有意な変形が見られなかった。
（４）ビッカース硬さ試験において、９５０℃以上の温度では、接合面における有意な強度の低下が見られなかった（図１２）。なお、図１２（ａ）において○印は試験位置を示しており、左の○印から順に、接合面からの距離が−１ｍｍ、−０．５ｍｍ、０ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍを示している。

また引張り試験片については、９００℃から１１５０℃の範囲の試験を行った。その結果を表２に示す。

９００℃から１０５０℃の範囲の試験片は、そのサイズが引張り試験機の取り付け部より小さかったため、試験片に「つかみ部」を溶接しているが、引張り試験においては、すべての温度範囲（９００℃から１０５０℃）で「つかみ部」との溶接部が切断するという結果となった。即ち、水側ユニット７や液体金属側ユニット５に相当する試験片自体のＨＩＰ接合の部分の破断はなかった。破断時の引張り力は、９５０℃の試験片２を除いて７００Ｎ／ｍｍ^２以上である。また、１１００℃と１１５０℃の試験片については「つかみ部」の溶接が不要であり、接合部の引張強さとして１２００Ｎ／ｍｍ^２程度が確認された。これは同様の環境下においた母材とほぼ同等の強度であった。また延性についても、特に１１５０℃の試験片では接合面の完全な消失を確認し、同様の環境下に置いた母材と同等であることが確認された。これらのことから、改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼のＨＩＰでの接合性を確認するとともに、製作性の確認と併せ、改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼を用いた水側ユニット７及び液体金属側ユニット５の成立性を裏付けることができた。

これらの知見により、改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼を用いて、ＨＩＰによる熱交換器１の製作が可能であることを確認した。

本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器の実施形態の一例を概念的に示す分解斜視図である。 各ユニットを積層した状態を示す断面図である。 水側ユニットを示す斜視図である。 液体金属側ユニットを示す斜視図である。 水側ユニットの製造を概念的に示し、（Ａ）は加圧しながら加熱する前の状態を示す斜視図、（Ｂ）は加熱しながら加熱した後の状態を示す斜視図である。 本発明の熱交換器を蒸気発生器として採用したループ型高速増殖炉を示す概念図である。 本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器の他の実施形態を示し、ＨＩＰ加工した液体金属側ユニットの正面図である。 図７の液体金属側ユニットの製造を概念的に示し、（Ａ）は伝熱管と板材を組み付ける様子を示す図、（Ｂ）は伝熱管と板材を組み付けた後の様子を示す図である。 従来のプレートフィン熱交換器の要部を示す斜視図である。 ＨＩＰ接合試験における改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼の模擬試験体を示し、（ａ）はＨＩＰ前の状態を示す写真、（ｂ）はＨＩＰ後の状態を示す写真である。 ＨＩＰ接合面を示し、（ａ）は接合面の写真位置を説明するための図、（ｂ）は（ａ）の円ｂで示す位置を３７５倍に拡大して示す写真である。 ビッカース硬さ試験の結果を示し、（ａ）は試験位置を説明するための図、（ｂ）は試験結果を示す図である。

符号の説明

１ 熱交換器（蒸気発生器）
２ 液体金属冷却材
３ 冷却水
４ 液体金属冷却材２の流路
５ 液体金属側ユニット
６ 冷却水３が流れる伝熱管
７ 水側ユニット
９，１８，１９ 不活性ガスの流路
１０ ガス側ユニット
１１ 液体金属入口ヘッダー
１２ 液体金属出口ヘッダー
１３ 給水ヘッダー
１４ 排水ヘッダー
１５ ガス流入ヘッダー
１６ ガス排出ヘッダー
１７ 熱交換器本体
３８ 液体金属冷却材の流路となる伝熱管

Claims (5)

1. 液体金属冷却材と冷却水との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器であって、前記液体金属冷却材の流路を有する板状の液体金属側ユニットと、前記冷却水が流れる伝熱管を並列に密着させて板状に纏めた水側ユニットと、不活性ガスの流路を有する板状のガス側ユニットと、前記液体金属側ユニットの流路に接続された液体金属入口ヘッダー及び液体金属出口ヘッダーと、前記水側ユニットの伝熱管に接続された給水ヘッダー及び排水ヘッダーと、前記ガス側ユニットの流路に接続されたガス流入ヘッダー及びガス排出ヘッダーを備え、前記水側ユニットは前記伝熱管を１層に並べて密着状態で加圧しながら加熱して接合したものであり、前記液体金属側ユニットと前記水側ユニットを、前記ガス側ユニットを挟んで交互に重ね密着させて熱交換器本体を構成し、前記各ヘッダーは前記熱交換器本体の外面に取り付けられており、前記液体金属側ユニットの前記給水ヘッダー又は排水ヘッダーに隣接する部分、及び前記水側ユニットの前記液体金属入口ヘッダー又は液体金属出口ヘッダーに隣接する部分には不活性ガスの流路が設けられていることを特徴とする液体金属冷却炉用熱交換器。
2. 前記水側ユニットの伝熱管の材料は改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であることを特徴とする請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器。
3. 前記液体金属側ユニットは前記液体金属冷却材の流路となる伝熱管を並列に１層に並べて密着状態で加圧しながら加熱して接合したものであることを特徴とする請求項１又は２記載の液体金属冷却炉用熱交換器。
4. 前記液体金属側ユニットの伝熱管の材料は改良９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であることを特徴とする請求項３記載の液体金属冷却炉用熱交換器。
5. 前記冷却水は前記水側ユニットの伝熱管内で加熱されて蒸気に変化することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の液体金属冷却炉用熱交換器。